RU2247451C1

RU2247451C1 - Solid state laser

Info

Publication number: RU2247451C1
Application number: RU2003121088/28A
Authority: RU
Inventors: ков Б.Т. Мещер (RU); Б.Т. Мещеряков; В.В. Крюков (RU); В.В. Крюков
Original assignee: Мещеряков Борис Тимофеевич; Крюков Валерий Владимирович
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-27
Also published as: RU2003121088A

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: proposed laser characterized in its ability to dispense with external energy consumption has active element, resonator, and optical pumping source covered with luminescent layer; pumping source is made in the form of stack of flat light-emitting elements having central bore and coaxially arranged in tandem on laser active element; luminescent layer is made of radioluminescent material and disposed on side surfaces of flat elements.

EFFECT: enlarged service life of laser.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, конкретнее к твердотельным лазерам с непрерывным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах на Земле и в космическом пространстве.The invention relates to quantum electronics, and more particularly to solid-state lasers with continuous radiation, and can be used in energy laser systems, laser chemistry, laser medicine, metallurgy and other laser technological processes on Earth and in outer space.

Известен лазер с солнечной накачкой (Патент РФ №1701082, H 01 S 3/09, 1994 г.), содержащий систему из двух софокусных вогнутых разноапертурных зеркал и активный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД в него введены вторая система из двух софокусных разноапертурных параболоцилиндрических зеркал и два крышеобразных возвратных отражателя, зеркала первой системы выполнены параболоцилиндрическими, в меньшем зеркале первой системы выполнена щель, параллельная фокальной линии системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала второй системы, апертура большего зеркала второй системы равна апертуре меньшего зеркала первой системы, фокальные линии обеих систем параллельны друг другу, меньшее зеркало второй системы оптически связано по ходу излучения накачки с ее большим зеркалом через расположенные последовательно два возвратных отражателя и щель в меньшем зеркале первой системы, а активный элемент расположен между указанными отражателями, при этом один из крышеобразных возвратных отражателей размещен между фокальной линией и большим зеркалом второй системы, при этом в ней выполнена продольная щель, параллельная фокальной линии второй системы с шириной, равной апертуре меньшего зеркала первой системы.A known solar-pumped laser (RF Patent No. 1701082, H 01 S 3/09, 1994) containing a system of two confocal concave different aperture mirrors and an active element, characterized in that, in order to increase the efficiency, a second system of two confocal multi-aperture parabolic cylindrical mirrors and two roof-shaped return reflectors, mirrors of the first system are made parabolic cylindrical, a slit is made in the smaller mirror of the first system, parallel to the focal line of the system with a width equal to the aperture of the smaller mirror of the second system topics, the aperture of the larger mirror of the second system is equal to the aperture of the smaller mirror of the first system, the focal lines of both systems are parallel to each other, the smaller mirror of the second system is optically connected along the pump radiation with its large mirror through two return reflectors arranged in series and the gap in the smaller mirror of the first system, and the active element is located between these reflectors, while one of the roof-shaped return reflectors is placed between the focal line and a large mirror of the second system, while a longitudinal slit is made in it parallel to the focal line of the second system with a width equal to the aperture of a smaller mirror of the first system.

Недостатком известного лазера является низкая эффективность накачки, поскольку спектр солнечного излучения близок к спектру теплового излучения черного тела, в котором интенсивность линий видимого диапазона везде одинаковая.A disadvantage of the known laser is the low pumping efficiency, since the spectrum of solar radiation is close to the spectrum of thermal radiation of a black body, in which the intensity of the lines of the visible range is the same everywhere.

Поэтому кроме линий, совпадающих с полосой поглощения активатора, вся остальная область солнечного спектра только нагревает матрицу активного элемента. Мощность накачки ограничена постоянством солнечной радиации, работа лазера полностью зависит от погоды, необходима постоянная переориентация лазера по Солнцу. Более эффективно лазер с солнечной накачкой работает в космосе и то периодически (в тени Земли не работает).Therefore, in addition to lines coinciding with the absorption band of the activator, the entire remaining region of the solar spectrum only heats the matrix of the active element. The pump power is limited by the constancy of solar radiation, the operation of the laser is completely dependent on the weather, a constant re-orientation of the laser along the Sun is necessary. More efficiently, a solar-pumped laser works in space and then periodically (it does not work in the shadow of the Earth).

Известен лазер (Патент США 5313485, H 01 S 3/0915, 1994 г.), в котором для улучшения согласования спектров излучения накачки и поглощения активатора применяется спектральное преобразование света лампы в фотолюминесцентное свечение люминофора.A laser is known (US Patent 5,313,485, H 01 S 3/0915, 1994), in which spectral conversion of lamp light into a photoluminescent glow of a phosphor is used to improve the matching of the pump and absorption spectra of the activator.

Недостатком этого лазера является наличие лампы накачки, отсюда - низкий ресурс лазера, необходимость электропитания, размер активного элемента ограничен межэлектродным расстоянием лампы. Мощность генерации ограничен возможностями лампы накачки и потерями при спектральном преобразовании; лазер работает только в импульсном режиме на искусственных кристаллах. При ламповой накачке спектры согласованы слабо, к тому же сильное поглощение в матрице АИГ. Особенно вредно это в ультрафиолетовой области.The disadvantage of this laser is the presence of a pump lamp, hence the low laser resource, the need for power, the size of the active element is limited by the interelectrode distance of the lamp. The generation power is limited by the capabilities of the pump lamp and losses during spectral conversion; the laser operates only in a pulsed mode on artificial crystals. Under vacuum pumping, the spectra are weakly matched, and besides, there is strong absorption in the AIG matrix. This is especially harmful in the ultraviolet region.

Светодиодная накачка согласована с поглощением активатора Nd³⁺ почти идеально, но она слаба по суммарной мощности из-за конструктивных проблем в излучателе. Поэтому лазеры со светодиодной накачкой в виде линеек имеют низкую мощность генерации и ограниченное применение. Известно, что газоразрядная лампа в качестве источника накачки не может работать без принудительного охлаждения, поскольку более 80% электроэнергии питания необходимо перевести в тепло для разогрева газа до состояния плазмы. Это внешнее тепло от лампы накачки суммируется с внутренним теплом в активном элементе из-за потерь на поглощение его матрицы. Поэтому для получения генерации необходимо водяное охлаждение активного элемента, так как перегрев резко повышает потери и порог генерации. Сильный нагрев по объему и теплосъем только с боковой поверхности активного элемента приводит к большим внутренним напряжениям, которые может выдержать только матрица из АИГ, а стекло не выдерживает и разрушается. Поэтому при ламповой накачке стекло не используется для получения непрерывного режима генерации, а только для импульсного.LED pumping is consistent with the absorption of the Nd ³⁺ activator almost perfectly, but it is weak in terms of total power due to structural problems in the emitter. Therefore, ruler-shaped LED-pumped lasers have low lasing power and limited application. It is known that a gas discharge lamp as a pump source cannot work without forced cooling, since more than 80% of the power supply must be converted into heat to heat the gas to a plasma state. This external heat from the pump lamp is added to the internal heat in the active element due to the absorption loss of its matrix. Therefore, to obtain the generation, water cooling of the active element is necessary, since overheating sharply increases the losses and the generation threshold. Strong heating in volume and heat removal only from the side surface of the active element leads to large internal stresses that only the AIG matrix can withstand, and the glass does not withstand and collapses. Therefore, with lamp pumping, glass is not used to obtain a continuous generation mode, but only for pulsed.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является непрерывный твердотельный лазер (Патенты Японии №57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982 г.) с электролюминесцентной накачкой. На активный элемент из Nd:YAG (неодим-иттрий-алюминиевый гранат) нанесены электропроводящие пленки с выходными электродами. Между пленками размещен слой люминофора. Внутренняя пленка выполнена прозрачной, а внешняя - отражающая. Зеркала резонатора нанесены на торцы активного элемента.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a continuous solid-state laser (Japanese Patents No. 57-177584, 57-177585, H 01 S 3/091, 1982) with electroluminescent pumping. An active element of Nd: YAG (neodymium-yttrium-aluminum garnet) is coated with conductive films with output electrodes. A layer of phosphor is placed between the films. The inner film is transparent, and the outer one is reflective. The resonator mirrors are applied to the ends of the active element.

Недостатком лазера является необходимость электропитания, применение искусственного кристалла Nd:YAG и низкая мощность оптической накачки, которая ограничена тем, что на электроды нельзя подавать большую электрическую мощность из-за вероятности пробоя люминесцентного слоя. Свечение люминофора экранируется соседними слоями по толщине, поэтому на активный элемент эффективно работает только один внутренний слой. Неизбежны потери излучения накачки и в электропроводящей внутренней пленке.The disadvantage of the laser is the need for power supply, the use of an artificial Nd: YAG crystal and low optical pump power, which is limited by the fact that it is impossible to supply large electric power to the electrodes due to the probability of breakdown of the luminescent layer. The luminescence of the phosphor is shielded by adjacent layers in thickness, so only one inner layer effectively works on the active element. Inevitable loss of pump radiation in the electrically conductive inner film.

Данное изобретение решает задачу создания непрерывного твердотельного полностью автономного лазера с большим ресурсом работы и широким диапазоном мощности генерации со стабильными характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном лазере, содержащем активный элемент, резонатор и источник оптической накачки, покрытый люминесцентным слоем, согласно изобретению источник накачки выполнен в виде пакета плоских элементов из световодного материала с центральным отверстием, установленных последовательно и соосно на активном элементе лазера, а люминесцентный слой выполнен из радиолюминесцентного материала и размещен на боковых поверхностях плоских элементов.This invention solves the problem of creating a continuous solid state fully autonomous laser with a long service life and a wide range of lasing power with stable characteristics. The essence of the invention lies in the fact that in a solid-state laser containing an active element, a resonator and an optical pump source coated with a luminescent layer, according to the invention, the pump source is made in the form of a package of flat elements of light guide material with a central hole mounted in series and coaxially on the active element of the laser and the luminescent layer is made of a radioluminescent material and placed on the side surfaces of the flat elements.

Торцевая поверхность плоских элементов может быть покрыта светоотражающим слоем, плоские элементы выполнены в виде дисков и размещены перпендикулярно продольной оси активного элемента.The end surface of the flat elements can be coated with a reflective layer, the flat elements are made in the form of disks and placed perpendicular to the longitudinal axis of the active element.

На фиг.1 изображен лазер.Figure 1 shows a laser.

На фиг.2 - световодная пленка, покрытая радиолюминофором.Figure 2 is a light guide film coated with a radioluminophore.

Твердотельный лазер содержит активный элемент 1, резонатор 2 и источник оптической накачки. Резонатор лазера выполнен в виде многослойных интерференционных зеркал, которые напыляются на торцы активного элемента или на стеклянные подложки, установленные в юстировочном устройстве. Конструктивно устройство накачки выполнено из пакета плоских элементов 3, предпочтительно в виде дисков из световодных стеклянных пленок с отверстием в центре под диаметр активного элемента.A solid state laser contains an active element 1, a resonator 2, and an optical pump source. The laser resonator is made in the form of multilayer interference mirrors that are sprayed onto the ends of the active element or on glass substrates installed in the alignment device. Structurally, the pumping device is made of a package of flat elements 3, preferably in the form of disks of optical fiber glass films with a hole in the center for the diameter of the active element.

Диск в данном случае понимается как круговой цилиндр с малой высотой, равной толщине пленки.The disk in this case is understood as a circular cylinder with a small height equal to the thickness of the film.

Диски установлены последовательно и соосно на активном элементе лазера. Для повышения эффективности устройства плоские элементы в виде дисков выполнены минимально возможной толщины, чтобы их в пакете было как можно больше. Тем самым увеличивается суммарная площадь свечения и общая мощность накачки. На боковую поверхность каждого диска (основание цилиндра) нанесен тонкий люминесцентный слой из самосветящейся радиолюминесцентной краски 4, который излучает одновременно на два смежных диска световода. Множество соосных дисков образуют пакет (цилиндр), внешняя цилиндрическая поверхность которого полируется, а затем на нее напыляется золотой отражатель 5. Диаграмма направленности свечения от каждого элементарного точечного источника (зерна радиолюминесцентной краски) имеет вид полусферы внутри световода. Все лучи (кроме нормальных к поверхности) после многократных отражений собираются и попадают на боковую поверхность активного элемента. Эффективность отражения для лучей, исходящих от радиолюминесцентной краски в каждый плоский элемент, выполненный в виде диска под разными углами, разная и определяется формулами Френеля. Все световые лучи в диске, падающие на границу раздела двух сред стекло-радиолюминесцентная краска под углом Брюстера и больше, испытывают полное внутреннее отражение. Лучи, падающие под меньшим углом, частично обладают потерями из-за иммерсии на границе раздела двух сред, однако они малы, так как твердость (коэффициент преломления) сред сильно отличаются. Эти потери можно практически полностью устранить, если использовать для изготовления дисков пленки многослойные или с градиентом коэффициента преломления по поперечному сечению с минимальным коэффициентом в центре пленки. В этом случае вошедший в диск свет от радиолюминесцентной краски не отражается от противоположной границы раздела, а не доходит до нее, плавно или скачками преломляется, поворачивается и идет по центру толщины пленки к золотому отражателю или в центр диска к активному элементу. Таким образом, практически весь излученный свет собирается на боковую поверхность активного элемента.The disks are mounted sequentially and coaxially on the active element of the laser. To increase the efficiency of the device, flat elements in the form of disks are made of the smallest possible thickness so that they are in the package as much as possible. Thus, the total glow area and the total pump power increase. A thin luminescent layer of self-luminous radioluminescent paint 4 is applied to the lateral surface of each disk (cylinder base), which emits simultaneously to two adjacent disks of the optical fiber. Many coaxial disks form a packet (cylinder), the outer cylindrical surface of which is polished, and then a gold reflector is sprayed onto it 5. The directional pattern of the glow from each elementary point source (grain of radioluminescent paint) has the form of a hemisphere inside the fiber. All rays (except normal to the surface) after multiple reflections are collected and fall on the side surface of the active element. The reflection efficiency for the rays emanating from the radioluminescent paint in each flat element made in the form of a disk at different angles is different and is determined by the Fresnel formulas. All light rays in the disk incident on the interface between two media glass-radioluminescent paint at a Brewster angle or more, experience complete internal reflection. Rays falling at a smaller angle partially suffer losses due to immersion at the interface between two media, however they are small, since the hardness (refractive index) of the media is very different. These losses can be almost completely eliminated if multilayer films with a refractive index gradient along the cross section with a minimum coefficient in the center of the film are used for the manufacture of film disks. In this case, the light entering the disk from the radioluminescent paint does not reflect from the opposite interface, but does not reach it, smoothly or irregularly refracts, turns and goes through the center of the film thickness to the gold reflector or to the center of the disk to the active element. Thus, almost all the emitted light is collected on the side surface of the active element.

Отсутствие электропитания для накачки делает лазер полностью независимым и автономным, что позволяет резко расширить области его применения. Промышленностью освоено производство радиолюминесцентных красок, излучение которых лежит в узких диапазонах и в совокупности перекрывает области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. Поэтому можно выбрать в качестве источника оптической накачки такой радиолюминесцентный материал, спектральный максимум излучения которого совпадает, например, с основными линиями поглощения активатора Nd³⁺. Реально получить весьма эффективное согласование спектров излучения накачки и поглощения активатора, а в области поглощения матрицы потери свести к минимуму. Таким образом, значительно повышается КПД оптической накачки.The lack of power for pumping makes the laser completely independent and autonomous, which can dramatically expand its field of application. The industry has mastered the production of radioluminescent inks, the radiation of which lies in narrow ranges and collectively covers the spectral region from ultraviolet to infrared. Therefore, one can choose as a source of optical pumping such a radioluminescent material, the spectral emission maximum of which coincides, for example, with the main absorption lines of the Nd ³⁺ activator. It is realistically possible to obtain a very effective matching of the pump and absorption spectra of the activator, and to minimize the losses in the absorption region of the matrix. Thus, the optical pump efficiency is significantly increased.

Температурный баланс, существующий при накачке твердотельного активного элемента радиолюминесцентным методом, выгодно отличается от известных технических решений. Здесь нет высокотемпературной плазмы, а спектр излучения накачки оптимально согласован с линиями поглощения активатора. Следовательно, внутренний и внешний нагрев активного элемента многократно меньше. Отпадает необходимость водяного охлаждения. Упрощается конструкция лазера, достигается полная его автономность.The temperature balance that exists when pumping a solid-state active element by the radioluminescent method compares favorably with known technical solutions. There is no high-temperature plasma, and the spectrum of the pump radiation is optimally matched with the absorption lines of the activator. Therefore, the internal and external heating of the active element is many times less. There is no need for water cooling. The laser design is simplified, its full autonomy is achieved.

Без водяного охлаждения небольшое количества тепла равномерно распределено по объему твердотельного активного элемента, поэтому в нем нет больших внутренних напряжений. Появляется возможность использовать стекло с Nd³⁺ для получения непрерывного режима генерации. Оптически чистая стеклянная матрица активного элемента значительно снижает вредные потери на поглощение. Стекло во много раз дешевле искусственно выращенных кристаллов АИГ. Активные элементы из стекла можно изготавливать значительных размеров без ущерба качеству. В стекло более равномерно входит активатор Nd³⁺, есть возможность широко варьировать его концентрацию без потери качества матрицы.Without water cooling, a small amount of heat is evenly distributed over the volume of the solid-state active element, therefore, it does not have large internal stresses. It becomes possible to use glass with Nd ³⁺ to obtain a continuous generation mode. The optically pure glass matrix of the active element significantly reduces harmful absorption losses. Glass is many times cheaper than artificially grown AIG crystals. Active glass elements can be made in significant sizes without sacrificing quality. The activator Nd ³⁺ more evenly enters the glass, it is possible to widely vary its concentration without loss of matrix quality.

Для многих применений лазерного излучения решающим фактором является стабильность мощности генерации (связь, управление химическими реакциями и др.) которая, в основном, зависит от стабильности накачки. При ламповой накачке газоразрядная лампа не является стабильной по свечению из-за физического состояния плазмы разряда. Ситуация усугубляется турбулентностью потока охлаждения вдоль активного элемента, которая фактически приводит к шумовой модуляции потерь в резонаторе лазера из-за термической нестабильности активного элемента.For many applications of laser radiation, the decisive factor is the stability of the output power (communication, control of chemical reactions, etc.), which mainly depends on the stability of the pump. During lamp pumping, a gas discharge lamp is not stable in luminosity due to the physical state of the discharge plasma. The situation is aggravated by the turbulence of the cooling flow along the active element, which actually leads to noise modulation of losses in the laser cavity due to thermal instability of the active element.

При диодной накачке стабильность ее значительно выше, но и она полностью зависит от стабильности электропитания. Радиолюминесцентная накачка полностью свободна от этих недостатков и является идеально стабильной. Никакими другими методами превзойти такую стабильность невозможно. Очевидно, что область применения высокостабильных лазеров значительно шире. Поскольку активаторами радиолюминесцентной краски используются отходы атомной промышленности, которые имеют огромные сроки (сотни лет) периода полураспада, то существование самого факта радиолюминесценции и наличие энергии накачки равно этим же срокам. Недостижимый никакими другими способами ресурс такого источника накачки делает лазер практически вечным. В нем нет элементов, которые деградируют во времени.With diode pumping, its stability is much higher, but it also completely depends on the stability of the power supply. Radioluminescent pumping is completely free from these shortcomings and is ideally stable. No other methods can surpass such stability. Obviously, the field of application of highly stable lasers is much wider. Since the activators of radioluminescent paint use wastes from the nuclear industry, which have huge periods (hundreds of years) of the half-life, the existence of the fact of radioluminescence and the presence of pump energy is equal to the same periods. Unreachable by any other means, the resource of such a pump source makes the laser almost eternal. There are no elements that degrade over time.

Высокая чистота и однородность стекла в пленочном световоде обеспечивают его высокую радиационную стойкость к воздействию активатора радиолюминесцентной краски. Более того, невосприимчивость стеклянной пленки к радиации обусловлена составом радиации, поскольку в нем нет γ -составляющей, а β- и α-излучения имеют корпускулярный характер с очень малой проникающей способностью (α-излучение задерживает лист бумаги). К тому же радиолюминесцентные (самосветящиеся) краски, например, на основе отходов атомной промышленности выпускаются изначально радиационно-безопасными в соответствии с требованиями стандарта к такого рода материалам. Таким образом, применение радиолюминесцентного световодного метода накачки позволяет создать устройство, которое полностью автономно и независимо, обладает огромным ресурсом и выдает непрерывное лазерное излучение.The high purity and uniformity of the glass in the film optical fiber provide its high radiation resistance to the effects of activator radioluminescent paint. Moreover, the immunity of the glass film to radiation is due to the composition of radiation, since it does not have a γ component, and β and α radiation have a corpuscular character with very low penetration (α radiation delays a sheet of paper). In addition, radioluminescent (self-luminous) paints, for example, based on nuclear waste, are initially radiation-safe in accordance with the requirements of the standard for such materials. Thus, the use of the radioluminescent waveguide pumping method allows you to create a device that is completely autonomous and independent, has a huge resource and produces continuous laser radiation.

Claims

1. A solid-state laser containing an active element, a resonator and an optical pump source coated with a luminescent layer, characterized in that the pump source is made in the form of a package of flat elements of light guide material with a central hole mounted in series and coaxially on the active element of the laser, and the luminescent layer made of radioluminescent material and placed on the side surfaces of flat elements.

2. The solid-state laser according to claim 1, characterized in that the end surface of the flat elements is coated with a reflective layer.

3. The solid-state laser according to claim 1, characterized in that the flat elements are made in the form of disks.

4. The solid-state laser according to claim 1, characterized in that the flat elements are placed perpendicular to the longitudinal axis of the active element.